USB是最受欢迎的外设接口,广为笔记本电脑、智能手机等消费类电子设备采用。然而,每一代智能手机都比上一代更纤薄,这为元器件生产商缩小产品体积带来了空前压力。新型USB-C为“纤薄创新”开辟了道路,它让设备的充电速度变得更快。

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USB-C连接器解决了传统USB插头插座种类繁多、不能通用的重大缺点。USB-C标准支持正反插;支持超高速USB 3.1格式(最高传输速度达10Gbps)。同时,其电力输出最高达100W(20V、5A),相当于之前USB 3.0 10W电力输出的10倍。大多数15英寸笔记本电脑仅需要约60W的电源,这意味着将来的笔记本电脑可以像现在的平板电脑和智能手机一样,使用USB端口充电。

USB-C比前一代更加流行普及的原因还有很多。比如,除了USB数据外,新的“交替模式”规范可以让USB-C接口传输视频数据。

然而,USB-C接口也意味着生产和设计领域的重大挑战。USB-C连接器比之前几代要小很多,但是内部引脚数却由4根(USB 3.0为9根)增加到了24根,同时还需传输更多的电力。

帝斯曼工程塑料业务部亚太区研发技术总监Wouter Gabriëlse博士在接受EDN China专访时告诉记者,USB 3.0 Micro B连接器的引脚间距为0.65mm,USB-A连接器的引脚间距为2.0mm,相比之下,USB-C连接器的引脚间距只有0.5mm。至于绝缘层最低厚度,USB-C连接器则从USB-A连接器的1.84mm骤降至0.12mm。要成功设计并统一注塑成型出绝缘层如此薄的部件,从而使其拥有必要的机械性能及电气性能非常困难。

因此,用于容纳所有这些导电元件的材料的性能尤其关键。其中,材料的可靠性是一项极为重要的要求。因此整个行业都在寻找可靠耐用、兼具韧性、刚性且高流动性的塑料材料。

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帝斯曼工程塑料业务部亚太区研发技术总监Wouter Gabriëlse博士

Gabriëlse博士表示,很多零件制造商都已经着手开发使用液晶聚合物(LCP)的新型USB-C连接器设计。一般而言,液晶聚合物因其出色的流动性,通常在薄壁电子产品中很受欢迎,而且一些商品级的液晶聚合物价格相对较低(有时低于10美元/千克)。作为前几代USB所青睐的聚合物材料,液晶聚合物在USB连接器制造商中广为人知。

然而很多情况下,使用液晶聚合物制造的USB-C连接器很可能无法通过严格的电子性能测试,特别是表面耐电痕性(以相对漏电起痕指数表示)以及机械性能。

包裹导电元件的塑料材料充当着连接器的绝缘层和机械固定层,其相对漏电起痕指数(CTI)对于配备USB-C连接器的产品的可靠性尤为关键。如果绝缘层没有足够高的CTI,就有出现短路的风险,损坏设备,甚至可能引起火灾。

Gabriëlse博士介绍,目前主要有三种途径可以减小漏电起痕所引起的火灾风险:增大爬电距离(由导体间距和绝缘壁厚度决定);降低环境污染水平(粉尘、汗水等等);使用更高CTI指数的绝缘材料。

连接器的爬电距离已经预先设定,并且无法改变。而降低连接器处的环境污染只能通过额外的密封措施来实现,这样更会增加设备成本。因此,使用CTI指数尽可能高的绝缘材料就成为了提升终端产品安全性最可行的方案。

相较于采用含有聚酰胺(PA9T或PA6T)的含卤素液晶聚合物,从高性能无卤素聚酰胺(比如PA46和PA4T)中寻找解决方案将更为合适。 高性能的聚酰胺46和聚酰胺4T可实现机械性能、电子性能和精密模塑间的最佳平衡。

聚酰胺46和聚酰胺4T均已获得几大全球制造商的认可,用于新一代USB-C连接器的生产。它们满足了更高的安全性和可靠性需求。Gabriëlse博士表示:“帝斯曼Stanyl® PA46和ForTii® 的CTI超过400伏,有助于进一步提高USB-C接口的安全性。高流动性(壁厚0.12mm)和高机械性能之间需要实现完美平衡,而帝斯曼产品独特的特性平衡即可满足上述需求。此外,鉴于可穿戴设备的审美需求——鲜艳明快色彩的日益流行,帝斯曼高性能聚酰胺解决方案有多种颜色供客户选择,并首次在高性能塑料中引入芳香剂,最新推出的Arnitel® 材料拥有不同的气味(如柠檬味、玫瑰味),主机厂因而能够为客户提供非凡的感官体验。” Gabriëlse博士同时透露,帝斯曼的高性能材料解决方案已经获得了包括三星电子在内的众多企业的认可,应用于三星最新款的Galaxy Gear S2智能手表,帝斯曼公司在中国的本地服务能力能够快速响应客户需求。

此外,USB-C连接器的产生也是为了响应减少电子垃圾的号召。在可持续发展方面,他表示:“技术进步导致全球电子设备使用量爆炸性增长,电子垃圾数量相应增加。由于许多电子设备含有害物质,日益严重的电子垃圾处理已迫在眉睫。卤代材料是目前我们面临的最具挑战性的物质。帝斯曼在为客户及其产品提供先进的可持续无卤电子材料方面走在行业前沿:帝斯曼所有应用于电子领域的材料均不含卤素及红磷,已被广泛应用于智能设备的电线、连接器、边框及天线等产品,在不牺牲安全性或设计自由度的情况下确保产品性能。”

“多年来,帝斯曼对卤素材料阻燃特性的机理及其替代品方面进行了深入研究。基于对热塑性塑料可燃性影响要素的深入了解,我们有能力克服相关技术、性能和成本挑战。因此,我们能够开发满足特定阻燃要求的新型无溴无氯高温塑料。我们的研究成果在概念和实践层面催生了大量创新解决方案,并广泛应用于我们的大量无卤产品组合中。” Gabriëlse博士谈道,“我们的辛勤努力在终端应用部件层面为电子市场带来了许多重要创新成果,包括超薄耐高温UL V0材料和高灼热丝引燃温度(GWIT)的材料等。我们针对电子电气行业生产的多种产品均采用无卤解决方案。”

最后,对于帝斯曼在亚洲的布局,Gabriëlse博士补充说,帝斯曼拥有雄厚的全球研发实力,并在亚洲进一步拓展其研发能力,这包括:

-今年第一季度江阴基地的中试实验生产设备的扩能和升级顺利完成,扩能后产能提升一倍,满足汽车、电子等行业的快速反应能力;

-同时江阴基地新的改性生产线将于今年第三季度投产,提产后的江阴基地改性材料生产产能将提高40%以上;

-与此同时,帝斯曼近年来在上海投资兴建了已做材料科学研发中心,以便将我们在材料领域的专业知识分享给客户。